基于計算機視覺的避障導盲系統構建及在視障生教育教學中的應用研究

馬波 程育宏 王瑩 崔麗珺

[摘? ? ? ? ? ?要]? 為改善傳統視障輔助設備價格昂貴、運算效率低的缺陷，設計了一種基于計算機視覺的避障導盲系統。該系統通過相機采集周圍環境圖像，并結合計算機視覺技術、時間心理視覺調制技術以及SURF、ID3決策樹分類等算法分析處理圖像信息，確定障礙物的相對位置并通過語音播報實時路況。同時為探究系統在視障生教育教學中的應用，將系統裝載在智能眼鏡上，以某校初二視障學生為對象進行了效果實驗及問卷調查訪談，實驗結果證明了本系統的可靠性和實際可行性。

[關? ? 鍵? ?詞]? 計算機視覺;避障導盲系統;視障生;教育教學

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文章編號]? 2096-0603（2021）11-0216-02

視力障礙群體由于先天或后天因素導致的視覺缺陷使他們缺乏對環境的判斷能力，給日常生活與工作造成了很大不便。但隨著互聯網科技的發展，視力障礙群體借助軟件與設備能夠逐漸像常人一樣生活工作，這一現象也改變了視障生的學習方式，視障生通過計算機技術可以在老師的引導下接受更加完善的教育。

目前的視障輔助設備大多是以圖像或信號處理，結合人的感知能力向視障患者提供周圍環境的信息，達到避障或導盲的目的。這些設備通常被設計為手杖、腰帶、眼鏡等形式，但是這種傳統的輔助設備需要在小體積的物體上實現復雜的功能，因此這些設備價格都比較昂貴，給視障患者造成了很大的經濟負擔。計算機視覺技術是一種新興的計算技術，它通過相機采集周圍環境圖像，運用算法進行圖片的解析，將圖片內容轉譯成計算機語言，最后通過計算機反饋出信息。計算機視覺技術因其在算法運算和數據處理的優勢使它在視障輔助領域有巨大的潛力。

為降低設備成本、提高設備運行效率，本文基于計算機視覺技術結合算法構建出新型的避障導盲系統，達到加快圖像處理效率、減少運算量、節約設備成本的目的。同時本文研究了該系統在視障生教育教學中的應用。

一、系統結構設計

系統通過攝像頭上傳圖像，以計算機視覺技術分析出障礙物的種類及坐標，通過語音提示和輔助成像達到避障效果。系統主要分為三個功能區，分別是障礙物測距、隱藏投影信息及語音路況識別，分別通過不同算法實現，系統結構框架如下圖所示：

（一）SURF算法

SURF算法的全稱是Speeded-Up Robust Features，譯為加速穩健特征，是一種穩健的局部特征點檢測和描述算法。它是在SIFT算法的基礎上改進得到的，相比原算法，它的運算復雜度更低、耗時更少、效率更高，可以達到實時應用的效果。本系統采用相機標定技術對相機采集的障礙物圖像進行預處理，得到圖像的矩陣坐標后利用SURF算法選取特征點并計算出特征點在不同圖像的具體位置，達到實時測距的效果。

（二）TPVM技術

TPVM技術的全稱是時間心理視覺調制技術，該技術的原理是利用人的視覺延遲，在高頻幀率的圖像中得到不同的信息。人分辨視頻信號的刷新頻率極限在60Hz左右，而現代的計算機卻可以使刷新頻率遠高于這一數值，從而使不同的觀察者在觀察同一圖像視頻時同時獲得不同的信息。本系統在分析周圍環境的圖像時需要發射光線在圖像上形成投影，以便于提取特征點，但是光線本身會對使用者造成干擾，系統借助TPVM技術隱藏部分光線投影的圖像，防止系統在使用過程中對使用者造成干擾。

（三）數據建模決策樹

本系統的數據建模決策樹是由圖像二值化程序、特征提取算法及ID3決策樹分類算法三部分構成的。系統通過相機獲取到需要的圖像集后，利用圖像二值化程序將圖像集在不同的顏色空間中進行轉換，得到圖像空間模型，再經過特征提取算法提取光線因障礙物在圖像上形成的線段，再用ID3決策樹分類算法分析處理不同特征線段需要的不同決策，最后通過語音提示實時反饋出路況信息。

二、應用研究

為探究系統在實際應用中的可靠性及在視障生教學中的作用，將系統裝載到智能眼鏡上，以班級為單位，進行視障生使用實驗，通過記錄視障生的實際使用情況和反饋得到研究數據。

（一）對照試驗

本實驗選取某校初二年級一班的視障學生作為實驗對象，一班的21名學生（其中9名男生，12名女生）均佩戴裝有視障輔助系統的智能眼鏡上體育課，作為定量，體育老師與上學期的體育老師為同一人，且授課內容和授課方式與上學期完全相同。實驗時間為2020—2021年第一學期。

（二）問卷調查

在實驗結束后，對實驗對象進行調查問卷，獲取實驗數據信息。問卷采用盲文形式，問卷題目采用李克特五點量表進行設計。問卷調查統計表如下表所示。

從表中可以看出，大部分學生對輔助眼鏡的感官是良好的，認為輔助眼鏡對上體育課有很大幫助，增加了學生的上課積極性，但仍有部分學生不喜歡體育課，個別學生對輔助眼鏡表示了反感，這說明輔助眼鏡仍有需要改進的地方。

（三）學生訪談

為了解實驗對象的主觀感受，分析輔助眼鏡對視障生教學的實際輔助作用，筆者對具有代表性的學生進行了訪談。經過訪談了解到，學生對輔助眼鏡基本可以接受，認為系統對他們上體育課很有幫助，一些同學認為輔助眼鏡幫助他們克服了對體育活動的恐懼，提高了對體育課的興趣，性格也變得更加開朗樂觀。但是個別學生也指出了輔助眼鏡的不足之處，一名學生認為輔助眼鏡的佩戴舒適度不夠高，佩戴整節課會使耳朵和鼻梁疼痛，另一名學生反映輔助眼鏡的語音播報功能存在一定缺陷，當周圍有其他人或者物體運動時，語音提示會變得比較頻繁。

（四）教師授課感受

體育老師談到以前上體育課的時候，學生因為視力障礙對體育器材和上課有一定的恐懼心理，每次上課時都需要帶領學生觸摸需要使用的器材，大大浪費了授課時間，而且學生對體育活動的參與度也不高。而輔助眼鏡改變了這一情況，他認為輔助眼鏡提高了授課效率，降低了授課難度，增強了學生進行體育活動的信心，增加了學生的運動量，改善了學生的體質，調動了學生的積極主動性，同時由于學生變得喜歡上體育課，體育老師也變得更受學生歡迎，增進了師生關系。體育老師表示希望輔助眼鏡能夠在這次測試中得到更好的調整優化，并希望輔助眼鏡將來可以長期應用于體育課教學中。

三、結果與展望

總體來說，基于計算機視覺的避障導盲系統符合視障生的體育課教學需求，具有可靠性和實際可行性，但是在系統的裝載硬件選擇和語音播報方式上仍需進一步改進，系統的算法也可以用性能更優越的BRIEF等算法進行替換，進一步提高運行效率，同時可以調整系統中的部分功能模塊，以滿足視障生對其他學科教學的需要。

參考文獻：

[1]戴衛兵，徐超，陳悅，等.基于計算機視覺的輔助駕駛系統設計[J].科技創新與應用，2020（3）：37-38.

[2]梁輝，張海叢.視障大學生學業自我效能感調查研究[J].心理月刊，2020，15（17）：106-107，109.

[3]趙曉軍，陳曉燕，李家興，等.基于RFID/GPS的導盲杖設計與研究[J].電視技術，2019，43（1）：111-114.

[4]楊初華，卓然，牟遠明.關于視障生信息無障礙化教學的探索與研究[J].科教文匯（上旬刊），2018（7）：85-86.

[5]Utku Kose，Pandian Vasant. Better campus life for visually impaired University students： intelligent social walking system with beacon and assistive technologies[J].Wireless Networks，2020，26（7）：4789-4803.

編輯 鄭曉燕